鋼的熱處理原理和工藝PPT課件

1、1 熱處理是改善金屬材料使用性能和工藝性能的一種非常重要的工藝方法。 熱處理是機械零件及工具制造過程中的重要工序。它擔(dān)負著改善工件的組織和性能，充分發(fā)揮材料潛力，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量延長使用壽命的重要任務(wù)。 重要的機械零件必須經(jīng)熱處理才能獲得良好的使用性能。第1頁/共69頁2 1.鋼的熱處理原理及分類鋼的熱處理原理及分類一、一、熱處理原理熱處理原理1.定義 將鋼在固態(tài)范圍內(nèi)，采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝方法。第2頁/共69頁32.工藝曲線注明： 臨界溫度（A1、A3、Acm）第3頁/共69頁4 3.原理： 熱處理不改變工件的形狀和尺寸，只改變工件的內(nèi)部組織

2、和性能的一種非常重要的工藝方法。 根本原因：是由于鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特性，從而使鋼在加熱和冷卻過程中發(fā)生組織和結(jié)構(gòu)上的變化，從而可以改善和提高獲得所需要的使用性能。第4頁/共69頁5二、熱處理的分類二、熱處理的分類 第5頁/共69頁6 常見熱處理車間常見熱處理車間第6頁/共69頁7加熱冷卻保溫第7頁/共69頁82.鋼在鋼在加熱加熱及及冷卻冷卻時的組織轉(zhuǎn)變時的組織轉(zhuǎn)變一、一、鋼在鋼在加熱加熱時的組織轉(zhuǎn)變時的組織轉(zhuǎn)變1.1.鋼在加熱和冷卻時的相變溫度 加熱溫度選擇的理論依據(jù)鐵碳合金狀態(tài)圖； 但實際轉(zhuǎn)變溫度（相變溫度）比狀態(tài)圖上的 臨界溫度（A1、A3、Acm ）有一定的滯后現(xiàn)象，采用代號表示。即：

3、加熱(c) 和冷卻(r) A3Ac3Ar3 A1Ac1Ar1 Acm Accm Arcm第8頁/共69頁9 鋼在鋼在加熱加熱和和冷卻冷卻時的時的臨界溫度臨界溫度第9頁/共69頁102.2.奧氏體的形成奧氏體的形成（以共析鋼為例）(1)(1)奧氏體晶核的形成；(2)(2)奧氏體晶核的長大；(3)(3)殘余滲碳體的溶解；(4)(4)奧氏體成分的均勻化。 （基本過程）共析鋼中奧氏體形成過程示意圖a)形核；b)長大；c)殘余滲碳體溶解；d)奧氏體均勻化第10頁/共69頁11奧氏體形成示意圖4秒6秒8秒15秒第11頁/共69頁12 對于亞共析鋼、過共析鋼的奧氏體化過程：1.亞共析鋼： F + P F +

4、 A A2.過共析鋼： Fe3C + P Fe3C + A A第12頁/共69頁133.3.奧氏體奧氏體晶粒晶粒的長大的長大 晶粒的長大主要是依靠較大晶粒吞并較小晶粒和晶界遷移的方式進行的。晶粒晶粒的吞并與長大過程的吞并與長大過程為了防止晶粒長的粗大，嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時間。第13頁/共69頁144.4.奧氏體晶粒大小的實際意義：奧氏體晶粒大小的實際意義： 鋼中奧氏體晶粒的大小直接影響到冷卻后的組織和性能。奧氏體晶粒細小，則其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織也較細小，性能較好；反之，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織則粗大，而且其性能也較差。 晶粒號的標(biāo)準(zhǔn)等級圖(100)第14頁/共69頁15二二、鋼在鋼在冷卻冷卻時的組織轉(zhuǎn)變

5、時的組織轉(zhuǎn)變 冷卻方式：等溫冷卻；連續(xù)冷卻。 第15頁/共69頁161. .奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變1 1）定義 不穩(wěn)定的不穩(wěn)定的過冷過冷奧氏體奧氏體經(jīng)過一段時間的等溫經(jīng)過一段時間的等溫保持，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的新相的過程。保持，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的新相的過程。2）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 珠光體（粗珠光體、索氏體、屈氏體） 貝氏體（上貝氏體、下貝氏體） 馬氏體（低碳馬氏體、高碳馬氏體）第16頁/共69頁17 共析鋼共析鋼等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖（等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖（C曲線或為曲線或為TTT曲線）曲線）表示：表示：過冷奧氏體的等溫過冷奧氏體的等溫 轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變溫度溫度轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變時間時間轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變產(chǎn)物產(chǎn)物 的關(guān)系。的關(guān)系。第17頁/

6、共69頁181 1）珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū)）珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū)（ A1 550 ） 高溫高溫等溫等溫轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變a a）形成溫度范圍 A1 650 b）組織珠光體（P） 粗片狀珠光體 片層間距 0.4 mC）性能 強度比較高，硬度適中 170 220HBW 有一定的塑性，具有較 好的綜合 力學(xué)性能。珠光體組織 3800 第18頁/共69頁19a a）形成溫度范圍 650 600 b）組織索氏體（S） 細片狀珠光體 片層間距0.4 0.2m C）性能 硬度為230 320HBW 綜合力學(xué)性能優(yōu)于 粗珠光體。 索氏體組織 8000 第19頁/共69頁20a a）形成溫度范圍 600 550 b）組織屈氏體（T）

7、極細片狀珠光體 片層間距 0.2m C）性能 硬度為330 400HBW 綜合力學(xué)性能優(yōu)于索氏體。規(guī)律：形成溫度；片層間距 ；硬度。 屈氏體組織 8000 第20頁/共69頁212 2）貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)）貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)（550 Ms ） 中溫中溫等溫等溫轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變形成上貝氏體組織。組織組織組成組成： 鐵素體+滲碳體組織特征：組織特征： 鐵素體 長成板條狀大致平行分布 滲碳體 呈粒狀或短桿狀分布在鐵素體板條之間。第21頁/共69頁22a a）形成溫度范圍 550 350 b）組織上貝氏體（B上） 形態(tài)呈典型羽毛狀C）性能 硬度為40 45HRC 強度低，塑性很差， 基本上沒有使用價值基本上沒有使用價

8、值。 第22頁/共69頁23下貝氏體組織組織組織組成組成： 鐵素體+滲碳體組織特征：組織特征：鐵素體長成針片狀，互不平行，有一定角度，形成分枝；滲碳體呈粒狀或細小短條狀分布在鐵素體片內(nèi)。第23頁/共69頁24a a）形成溫度范圍 350 Ms b）組織下貝氏體（B下） 形態(tài)呈黑色針葉狀C）性能 硬度可達45 55HRC 具有較高的強度及 良好的塑性和韌性。 采用采用等溫淬火方法可獲得可獲得B下，是各種復(fù)雜模具、，是各種復(fù)雜模具、量具、刀具熱處理后的一種理想組織。量具、刀具熱處理后的一種理想組織。下貝氏體組織 630 第24頁/共69頁252 2）馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)）馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū)（Ms Mf） 低

9、溫連續(xù)轉(zhuǎn)變低溫連續(xù)轉(zhuǎn)變定義 碳在-Fe-Fe中的過飽和固溶體 稱為馬氏體（用M表示）分類 根據(jù)碳含量不同分為： 低碳馬氏體 0.25%Cabca = bc碳原子第25頁/共69頁26低碳馬氏體組織特征：組織特征： 呈 一束一束相互平行的 細條狀板條。性能特點：性能特點： 硬度可達 HRC 4550 ， 具有較高的強度 及良好的韌性。M板條M板條束低碳馬氏體組織形態(tài) 第26頁/共69頁27高碳馬氏體組織特征：組織特征： 斷面呈針狀或片狀性能特點：性能特點： 硬度均在 HRC 60， 表現(xiàn)為硬度高而脆性大。 第27頁/共69頁28馬氏體的性能特點1、硬度高，且隨C%的增加而增加；2、強度高，亦隨C

10、%的增加而增加。第28頁/共69頁29馬氏體轉(zhuǎn)變特點 a a）過冷 A 轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體是一種非擴散型轉(zhuǎn)變；b b）馬氏體轉(zhuǎn)變是在一定溫度范圍內(nèi)（Ms Mf）的 連續(xù)冷卻過程中進行的；c c）馬氏體的轉(zhuǎn)變速度極快，產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，轉(zhuǎn) 變時發(fā)生體積膨脹；d d）馬氏體轉(zhuǎn)變的不徹底性，仍有少量未轉(zhuǎn)變的A 被保留下來，成為殘余奧氏體（用AR表示）。第29頁/共69頁30e e）馬氏體中溶入過多的碳而使-Fe-Fe晶格發(fā)生畸變， 形成組織不穩(wěn)定；f f）過冷A轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體所需的最小冷卻速度稱為 臨界冷卻速度（用c表示）。指出指出： 每一種鋼的臨界冷卻速度都不同。要想獲得馬氏體組織，必須使其冷卻速度 c

11、。這種操作叫淬火。 獲得馬氏體是強化鋼材的一種重要組織。第30頁/共69頁31二、奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT） 在實際熱處理生產(chǎn)中，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變多數(shù)是在連續(xù)冷卻過程中進行的，除了等溫轉(zhuǎn)變獲得貝氏體組織；另外常采用連續(xù)冷卻曲線（CCT）與等溫轉(zhuǎn)變曲線（TTT）疊加，近似地分析連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的組織和性能。VcMM+PP 共析碳鋼 CCT曲線MsMfVcMM+PP 共析碳鋼 CCT曲線共析碳鋼 TTT曲線第31頁/共69頁32第32頁/共69頁33亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線比較亞共析鋼共析鋼過共析鋼第33頁/共69頁343.鋼的鋼的熱處理熱處理工藝工藝機械零件的一般加工工藝順序：機

12、械零件的一般加工工藝順序： 鑄造或鍛造鑄造或鍛造 退火和退火和正火正火 機械機械粗粗加工加工 淬火淬火+ +回火回火（或表面（或表面熱處理）熱處理）機械機械精精加工加工其中：其中：退火和退火和正火正火預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理 淬火淬火+ +回火回火最后熱處理最后熱處理第34頁/共69頁35一、退火 1.定義： 將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻（一般為隨爐冷卻），以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝叫做退火。第35頁/共69頁362.退火分類：；擴散退火： Ac3 + 200300b.完全退火： Ac3 + 2050c.球化退火： Ac1 + 2030d.去應(yīng)力退火： Ac1 ；5006

13、50 第36頁/共69頁373.退火目的：1）降低硬度，提高鋼的塑性，以利于機械加工；2）細化晶粒，均勻組織，為淬火工序做好準(zhǔn)備；3）消除內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形和開裂；4）第37頁/共69頁384.退火應(yīng)用：1）擴散退火：適宜2）完全退火：適宜亞共析鋼，不適宜過共析鋼； 3）球化退火：適宜共析鋼和過共析鋼； 4）低溫退火：適宜鑄造、鍛造或焊接及切削加工后的高精度工件。 第38頁/共69頁39二、正火1.定義： 將鋼加熱到Ac3或Accm以上3050, , 保溫適當(dāng)時間后，在空氣中冷卻的一種熱處理工藝。2.2.正火的目的和應(yīng)用 是使鋼的組織正?；?，亦稱?；幚恚灰话銘?yīng)用于以下方面： 1）作為最終熱

14、處理 要求不高的普通結(jié)構(gòu)件； 2）作為預(yù)先熱處理 含碳量高的過共析鋼； 3 3）改善切削加工性能 低、中碳合金結(jié)構(gòu)鋼。第39頁/共69頁40第40頁/共69頁41三、淬三、淬 火火1.定義： 將鋼加熱到Ac3以上3050（亞共析鋼）或AcAc1 1以上30 50 （過共析鋼），保溫后在淬火介質(zhì)中快速冷卻以獲得馬氏體組織（M）的一種熱處理工藝。第41頁/共69頁42鋼的鋼的淬透性淬透性與與淬硬性淬硬性區(qū)別：區(qū)別：淬透性淬透性在規(guī)定的條件下，鋼接受淬火在規(guī)定的條件下，鋼接受淬火 時獲得馬氏體組織深度的能力時獲得馬氏體組織深度的能力。淬硬性淬硬性鋼淬火后能夠達到的最高硬度，鋼淬火后能夠達到的最高硬度

15、， 它主要決定于馬氏體中的含碳量。它主要決定于馬氏體中的含碳量。指出：指出： 淬透性淬透性好的鋼好的鋼淬硬性淬硬性不一定高。不一定高。第42頁/共69頁43 2淬火介質(zhì) ： 淬火時為了得到足夠的冷卻速度，以保證奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，又不致由于冷卻速度過大而引起內(nèi)應(yīng)力增大，造成零件變形和開裂。 常用的淬火冷卻介質(zhì)：水、鹽水、油、硝鹽浴和空氣等。 第43頁/共69頁443淬火方法選擇 根據(jù)鋼材成分及對組織、性能和工件尺寸精度的要求，在保證技術(shù)要求規(guī)定的前提下，應(yīng)選擇簡便而經(jīng)濟的淬火冷卻方法。第44頁/共69頁454.4.鋼的鋼的淬火缺陷淬火缺陷1 1）氧化與脫碳2 2）過熱與過燒3 3）變形與開裂4

16、 4）硬度不足5 5）淬火軟點第45頁/共69頁46四、回火四、回火 回火是緊接淬火之后進行的，通常也是零件進行熱處理的最后一道工序。 目的是消除和減小內(nèi)應(yīng)力、穩(wěn)定組織、調(diào)整性能，獲得較好的強度和韌性。 因為，淬火鋼的組織主要由馬氏體和少量殘余奧氏體組成(有時還有未溶碳化物)，存在很大內(nèi)應(yīng)力， 如不及時消除，將會引起工件的變形、甚至開裂。淬火組織很不穩(wěn)定，有向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變的趨勢，而且組織脆性大，韌性低，一般不能直接使用。第46頁/共69頁471.定義： 將鋼加熱到Ac1以下某一溫度，保溫一定時間后，冷卻到室溫的一種熱處理工藝。2.2.目的：1 1）降低內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形、開裂；2 2）調(diào)整性

17、能（提高淬火鋼的塑性和韌性） 滿足生產(chǎn)需要；3 3）穩(wěn)定組織，防止尺寸變化；4 4）降低硬度，便于切削加工。 回火往往是零件生產(chǎn)中的最后一道工序，決定鋼件最后的性能。第47頁/共69頁483.3.回火時的組織轉(zhuǎn)變1 1）馬氏體分解 （80200 ） 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：回火M+殘余A2 2）殘余奧氏體分解 （200 300 ） 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：回火M3 3）滲碳體形成 （300 400 ） 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：回火T4 4）滲碳體聚集長大（ 400 ） 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：回火S第48頁/共69頁494.4.回火后的組織和應(yīng)力變化第49頁/共69頁505.5.回火時的分類及應(yīng)用1 1）低溫回火： 150250，5664HRC，獲

18、得高的硬度和耐磨性；2 2）中溫回火： 350500，3550HRC，獲得高的彈性極限；3 3）高溫回火： 550650，2035HRC，獲得良好的綜合性能。 生產(chǎn)上生產(chǎn)上：淬火：淬火+ +高溫回火高溫回火稱作稱作調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)處理處理第50頁/共69頁51 4.鋼的表面鋼的表面熱處理熱處理 在機械設(shè)備中，有許多零件，如：齒輪、花鍵軸、活塞銷等，要求表面具有高的硬度和耐磨性而心部卻要求一定的強度和足夠的韌性。在這種情況下，要達到上述要求，如果僅從材料方面去解決是很困難的。 如：選用高碳鋼，淬火后表面硬度雖然很高，但心部韌性不足；如：采用低碳鋼，雖然心部韌性好，但表面硬度和耐磨性低。這就需要對零件進行

19、表面熱處理，以達到強化表面的目的，即：所謂外硬內(nèi)韌的性能要求。第51頁/共69頁52表面熱處理分為兩類： 一類是只改變工件表面組織而不改變表面化學(xué)成分的熱處理，稱為表面淬火。 另一類是既改變表面化學(xué)成分又改變表面組織的熱處理，稱為化學(xué)熱處理。第52頁/共69頁53一、表面淬火1.定義 是將鋼件的表面層淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火前狀態(tài)的一種局部淬火方法。2.方法（快速加熱） 火焰加熱、感應(yīng)加熱、電接觸加熱、激光加熱等 表面淬火方法。目前生產(chǎn)上最常用是： 火焰加熱表面淬火；感應(yīng)加熱表面淬火。3.3.目的 獲得高硬度、高耐磨性的表層，而心部仍保持良好的韌性。第53頁/共69頁541）火焰加

20、熱表面淬火 應(yīng)用氧-乙炔火焰對零件表面進行快速加熱并隨后快速冷卻的工藝。特點： 不需要特殊設(shè)備， 淬火質(zhì)量不夠穩(wěn)定； 適合單件或小批量生產(chǎn)。第54頁/共69頁552）感應(yīng)加熱表面淬火 利用感應(yīng)電流通過工件所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使得工件表面受到局部加熱，并進行快速冷卻的淬火工藝。特點： 加熱速度冷卻快， 淬火質(zhì)量好； 適合大批量生產(chǎn)。 第55頁/共69頁563）感應(yīng)加熱表面淬火電流頻率與淬硬層的關(guān)系：指出：指出：頻率越高頻率越高淬硬層深度淬硬層深度越淺；越淺； 生產(chǎn)上根據(jù)零件技術(shù)要求，通過調(diào)整頻率生產(chǎn)上根據(jù)零件技術(shù)要求，通過調(diào)整頻率獲獲 得需要使用性能。得需要使用性能。第56頁/共69頁57二、化學(xué)熱

21、處理二、化學(xué)熱處理1）定義 將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入工件的表層以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝稱為化學(xué)熱處理。2）目的 與其它熱處理相比，能更有效地改變零件表層的 使用性能。3）分類 根據(jù)滲入元素不同可分為： 滲滲C、滲滲N、C-N共滲、滲共滲、滲B 以及滲金屬（以及滲金屬（Cr、Al、Zn）等。等。第57頁/共69頁581.1.化學(xué)熱處理的原理 基本過程：1 1）分解首先在氣氛中產(chǎn)生活性原子；2 2）吸收工件表面吸收活性原子；3 3）擴散表面吸收活性原子產(chǎn)生濃度差，向中 心遷移，經(jīng)過一段時間后，形成一定厚 度的擴散層（滲層）。第58頁/共69頁592.

22、鋼的滲碳方法：固體滲碳、氣體滲碳、液體（鹽?。B碳第59頁/共69頁60滲C過程： 將零件加熱到930 ，開始滴入滲碳劑（煤油、丙酮、甲醇），經(jīng)分解后開始向低碳鋼的表面滲入碳原子，隨著時間的延長，使表層的含C量可達1.0%，成為高碳鋼；然后經(jīng)表面淬火和低溫回火后，使得零件的表面硬度可達5664HRC，而心部仍然是保持低碳鋼，得到一種所謂 外硬內(nèi)韌的使用性能。第60頁/共69頁61滲碳后的組織第61頁/共69頁623.鋼的滲氮 在A1溫度以下，使活性氮原子滲入工件表面的一種化學(xué)熱處理工藝，稱為滲氮。 目的：提高工件表層的硬度、耐磨性、紅硬性、耐蝕性和疲勞強度。 方法通入氨氣（NH3）介質(zhì) 。1）氣體滲氮： 加熱 （500600 ） 分解出N原子；2）離子滲氮： 高壓形成輝光放電 分解出N離子。第62頁/共69頁63滲氮專用鋼： 通常是指含有Cr、Mo、Al等合金元素的鋼。 例如：38CrMoAl就是一種典型的滲氮用鋼。 因為這些合金元素與氮元素形成非常穩(wěn)定的氮化物。獲得的氮化層薄而致密，一般為0.1 0.6mm。 鋼件氮化后具有很高硬度，1000HV以上（相當(dāng) 于6972HRC），），并且當(dāng)加熱至600 650使用時 仍能保持高硬度，即：具有高的耐磨性和紅硬性。